CN112733263B - 一种非协调装配发动机连接件受力分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构强度分析技术领域。本发明提供一种非协调装配发动机连接件受力分析方法，考虑连接件结构的非线性，对非协调装配下的连接件进行准确传载路径模拟，并对连接件应力进行精确表征，有效减轻结构重量。
Description
技术领域
本发明属于结构强度分析技术领域，具体涉及非协调装配发动机连接件传载及精确应力分析。
背景技术
飞机发动机载荷通过连接件传递集中传载，集中传载部位连接件纵多，其载荷传递严重依赖于装配工艺，诸多发动机集中传载部位因非协调装配导致结构提前破坏，目前其受力分析方法局限于理想装配工艺下工程线弹性分析方法，分析精度低，对非协调装配下的发动机连接件无可靠的分析方法。
发明内容
发明目的：提供一种非协调装配发动机连接件受力分析方法，考虑连接件结构的非线性，对非协调装配下的连接件进行准确传载路径模拟，并对连接件应力进行精确表征，有效减轻结构重量。
发明的技术方案：提供一种非协调装配发动机连接件受力分析方法，所述受力分析方法包括：
步骤1：特定安装角、特定预紧力下螺栓连接件附加应力表征，具体包括：
传载路径的真实模拟：利用连接件的材料非线性，采用非线性塑性段线性化等效处理方法表征连接件材料的真实硬化过程；利用连接件与发动机基体的接触非线性，对不连续的接触边界条件采用带有罚函数的弹塑性摩擦接触对进行表征；
装配预紧力的表征：对初始装配下的螺栓，通过干涉过盈量模拟螺栓预紧力；
结构化网格逼近表征：采用渐进式收敛方法确定有限元模拟网格尺寸及单元类型；
非线性求解计算：利用模拟的传载路径、表征的装配预紧力、表征的结构化网格逼近，采用非线性迭代方法求解计算，得到螺栓在特定安装角、特定预紧力下的附加应力；
步骤2：重复步骤1，对不同安装角、不同预紧力下螺栓连接件的附加应力进行精确表征，得到不同安装角、不同预紧力下的连接件附加应力。
进一步地，采用非线性塑性段线性化等效处理方法包括：对材料的非线性塑性段采用若干个渐进逼近点对非线性过程进行无限逼近。
进一步地，所述连接件为螺栓连接件；
弹塑性摩擦接触对的建立包括：建立螺栓头-框、螺母-接头、螺栓头-框、螺柱-框、螺柱-接头、框-接头的非线性弹塑性面接触对。
进一步地，不连续的接触边界条件是指：根据建立的非线性弹塑性面接触对连接件不同的受力状态，确定不同接触对对应的法向接触面积和接触压力大小。
进一步地，基于连接件与发动机基体的切向接触行为，采用罚函数具体包括采用摩擦系数模拟所述切向接触行为。
进一步地，通过施加渐进式的过盈量δ表征预紧力FY的大小。
进一步地，有限元模拟网格尺寸的确定包括：选用二次修正的四面体单元，连接件与发动机基体的非接触区域单元网格尺寸为5-8mm，接触区域网格尺寸为1-3mm；
渐进式收敛方法是指：当单元网格尺寸由大到小变化时，连接件的有限元应力数值逐步收敛趋近于特定值。
进一步地，在步骤1之前，对螺栓连接件进行工程应力分析：
螺栓连接件在轴向拉力FL、切向载荷FT、弯矩M复合作用下，呈现材料非线性、接触非线性。。
本发明的技术效果：创新性地运用结构非线性技术，对不同安装角、不同预紧力下螺栓连接件的附加应力进行精确表征，得到不同安装角、不同预紧力下的连接件附加应力，为发动机螺栓型号选取提供参考和依据。
附图说明
图1为非协调装配发动机连接件结构图；
图2为非协调装配发动机连接件连接示意图；
图3为连接件工程受力图；
图4为塑性段线性化等效处理示意图；
图5为连接件接触对示意图；
图6为切向接触行为示意图；
图7为有限元网格图(左图为整体、右图为局部连接)；
图8为特定安装角、特定预紧力下连接件附加应力云图；
图9为不同安装角、不同预紧力下连接件附加应力曲线。
具体实施方式
已知某大型飞机发动机连接件，由集中传载接头1、框2组成，两者通过螺栓3连接为一个整体，见图1。现有制件装配工艺复杂，装配过程中螺栓轴线与基体框4、接头5平面不垂直(存在α夹角)，见图2。此种非协调装配工艺下连接件传载及受力复杂，预紧力复合作用加剧了连接件受力。
本实施例，提供一种非协调装配发动机连接件受力分析方法，所述受力分析方法包括以下步骤：
步骤1：对非协调装配螺栓连接件进行工程受力分析
装配倾斜角α下螺栓连接件受力见图3，螺栓受轴向拉力FL、切向载荷FT、弯矩M，受力复杂，尤其是螺母与螺柱连接区域，涉及结构非线性，需进行有限元精确应力分析。
步骤2：非协调装配螺栓连接件精确有限元传载及应力分析
材料非限性等效：螺栓连接件传载过程中，局部塑形流动产生，连接件载荷重新分配，非线性塑性段线性化等效处理表征材料真实硬化过程(见图4)，并对材料的非线性塑性段采用若干个渐进逼近点对非线性过程进行无限逼近，以准确模拟多钉载荷分配及连接件应力水平高低。
接触非线性模拟：连接件载荷靠接触传递，接触本身是一类不连续的边界条件，分析时建立螺栓头—框、螺母—接头、螺栓头—框、螺柱—框、螺柱—接头、框—接头非线性弹塑性面接触对30对，用以对载荷传递路径进行真实模拟，见图5，根据建立的非线性弹塑性面接触对连接件不同的受力状态，确定不同接触对对应的法向接触面积和接触压力大小；接触的切向行为为带有罚函数的摩擦接触对，见图6。
预紧力表征：螺栓初始装配预紧力于螺栓头—框、螺母—接头接触对中以渐进式过盈量形式进行施加，通过干涉过盈量δ表征预紧力FY的大小。
单元网格尺寸及单元类型选取：对非协调装配连接件有限元网格剖分，采用渐进式收敛方法确定有限元模拟网格尺寸及单元类型：选用二次修正的四面体单元，非接触区域单元网格尺寸为5-8mm，接触区域网格尺寸为1-3mm；有限元网格图见图6。
非线性求解：对图7有限元模型施加边界条件，进行非线性迭代求解。
计算结果：特定安装倾斜角α＝3.8度，特定安装预紧力24000N下螺栓连接件应力云图见图8。
不同倾斜角α、不同预紧力FY下螺栓连接件精确应力分析；对不同倾斜角α、不同预紧力FY下螺栓连接件进行应力分析，以评估装配工艺对连接件应力的影响，见图9。
Claims (8)
1.一种非协调装配发动机连接件受力分析方法，其特征在于，所述受力分析方法包括：
步骤1：特定安装角、特定预紧力下螺栓连接件附加应力表征，具体包括：
传载路径的真实模拟：利用连接件的材料非线性，采用非线性塑性段线性化等效处理方法表征连接件材料的真实硬化过程；利用连接件与发动机基体的接触非线性，对不连续的接触边界条件采用带有罚函数的弹塑性摩擦接触对进行表征；
装配预紧力的表征：对初始装配下的螺栓，通过干涉过盈量模拟螺栓预紧力；
结构化网格逼近表征：采用渐进式收敛方法确定有限元模拟网格尺寸及单元类型；
非线性求解计算：利用模拟的传载路径、表征的装配预紧力、表征的结构化网格逼近，采用非线性迭代方法求解计算，得到螺栓在特定安装角、特定预紧力下的附加应力；
步骤2：重复步骤1，对不同安装角、不同预紧力下螺栓连接件的附加应力进行精确表征，得到不同安装角、不同预紧力下的连接件附加应力。
2.根据权利要求1所述的连接件受力分析方法，其特征在于，采用非线性塑性段线性化等效处理方法包括：对材料的非线性塑性段采用若干个渐进逼近点对非线性过程进行无限逼近。
3.根据权利要求1所述的连接件受力分析方法，其特征在于，所述连接件为螺栓连接件；
弹塑性摩擦接触对的建立包括：建立螺栓头-框、螺母-接头、螺栓头-框、螺柱-框、螺柱-接头、框-接头的非线性弹塑性面接触对。
4.根据权利要求3所述的连接件受力分析方法，其特征在于，不连续的接触边界条件是指：根据建立的非线性弹塑性面接触对连接件不同的受力状态，确定不同接触对对应的法向接触面积和接触压力大小。
5.根据权利要求4所述的连接件受力分析方法，其特征在于，基于连接件与发动机基体的切向接触行为，采用罚函数是指利用摩擦系数模拟所述切向接触行为。
6.根据权利要求1所述的连接件受力分析方法，其特征在于，通过施加渐进式的过盈量δ表征预紧力FY的大小。
7.根据权利要求1所述的连接件受力分析方法，其特征在于，有限元模拟网格尺寸的确定包括：选用二次修正的四面体单元，连接件与发动机基体的非接触区域单元网格尺寸为5-8mm，接触区域网格尺寸为1-3mm；
渐进式收敛方法是指：当单元网格尺寸由大到小变化时，连接件的有限元应力数值逐步收敛趋近于特定值。
8.根据权利要求1所述的连接件受力分析方法，其特征在于，在步骤1之前，对螺栓连接件进行工程应力分析：
螺栓连接件在轴向拉力FL、切向载荷FT、弯矩M复合作用下，呈现材料非线性、接触非线性。
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